ГЛАВА 7 Методы обеспечения качества обслуживания

Методы обеспечения качества обслуживания (QoS) занимают сегодня важное место в арсенале технологий сетей с коммутацией пакетов, так как они обеспечиваютустойчивуюработусовременных мультимедийных приложений, таких как ІР-телефония, видео- и радиовещание, интерактивное дис­ танционное обучение и т. п. Методы QoS направлены на улучшение характеристик производитель­ ности и надежности сети, рассмотренных в предыдущей главе; эти методы позволяют уменьшить задержки, вариации задержек, а также потери пакетов в периоды перегрузки сети, создавая тем самым необходимые условия для удовлетворительного обслуживания сетьютрафика приложений.

Методыобеспечения качества обслуживания направлены на компенсацию негативных последствий временных перегрузок, возникающих в сетях с коммутацией пакетов. В этих методах используются различные алгоритмы управления очередями, резервирования и обратной связи, позволяющие снизить негативное влияние очередей до приемлемогодля пользователей уровня.

Обзор методов обеспечения качества обслуживания

Очереди являются неотъемлемым атрибутом сетей с коммутацией пакетов. Сам принцип работытаких сетей подразумевает наличие буфера у каждых входного и выходного интер­ фейсов коммутатора пакетов. Буферизация пакетов во время перегрузок представляет со­ бойосновной механизм поддержания пульсирующего трафика, обеспечивающий высокую производительность сетей этого типа. Как вы знаете, в сетях с другим типом коммутации, аименно в сетях с коммутацией каналов, промежуточная буферизация данных не поддер­ живается. В то же время очереди означают неопределенную задержку при передаче пакетов черезсеть, а в некоторых случаях и потери пакетов из-за переполнения буфера коммутатора илимаршрутизатора, отведенного под очередь. Задержки и потери пакетов —это главный источник проблем для чувствительного к задержкам трафика. Так как сегодня операторы пакетных сетей очень заинтересованы в передаче пульсирующего трафика, им необходимы средства достижения компромисса между требованиями предельной загрузки своей сети и качеством обслуживания одновременно всех типов трафика.

Существует два подхода к определению того, какие характеристики производительности и надежности следует отнести к характеристикам качества обслуживания, то есть к тем характеристикам, которые могут быть улучшены с помощью методов QoS.

Водном случае, под характеристиками QoS понимается только три характеристики:

□односторонняя задержка пакетов;

□вариация задержек пакетов;

□потери пакетов.

Другой подход заключается в расширенном толковании характеристик QoS, когда харак­ теристики скорости потока, такие как средняя скорость, пиковая скорость и пульсация, также относят к характеристикам QoS.

В методах обеспечения качества обслуживания используются различные механизмы, на­ правленные на снижение негативных последствий пребывания пакетов в очередях с сохра­ нением вто же время положительной роли очередей. Набор механизмов достаточно широк,

ивэтой главе они рассматриваются достаточно подробно. Большинство из них учитывает

ииспользует в своей работе факт существования в сети трафика различного типа в том от­ ношении, что каждый тип трафика предъявляет различные требования к характеристикам производительности и надежности сети. Например, трафик просмотра веб-страниц мало чувствителен к задержкам пакетов и не требует гарантированной пропускной способно­ сти сети, зато чувствителен к потерям пакетов; в то же время как голосовой трафик очень чувствителен к задержкам пакетов, требует гарантированной пропускной способности сети, номожет «терпеть» потерю небольшого процента пакетов без значительного ущерба для качества (впрочем, последнее свойство во многом зависит от используемого метода кодирования голосового сигнала).

Добиться одновременного соблюдения всех характеристик QoS для всех видов трафика весьма сложно. Одним из наиболее значимых факторов, влияющих на характеристики качества обслуживания, является уровень загрузки сети трафиком, то есть уровень ис­ пользования пропускной способности линий связи сети.

Если этотуровень постоянно достаточно низок, то трафик всех приложений обслуживаемся с высоким качеством большую часть времени (хотя кратковременные перегрузки сети,

если пропускной способности сети недостаточно для качественной передачи трафика приложений, то нельзя ли уменьшить объем самого трафика? Наиболее очевидным спо­ собом снижения объема трафика является его компрессия, существуют и другие способы, приводящие к тому же результату, например размещение источника данных ближе к его потребителю (кэширование данных).

Приложения и качество обслуживания

К настоящему времени проделана большая работа по классификации трафика приложе­ ний. В качестве основных критериев классификации были приняты три характеристики трафика:

□относительная предсказуемость скорости передачи данных;

□чувствительность трафика к задержкам пакетов;

□чувствительность трафика к потерям и искажениям пакетов.

Предсказуемость скорости передачи данных

В отношении предсказуемости скорости передачи данных приложения делятся на два больших класса: приложения с потоковым трафиком и приложения с пульсирующим трафиком.

П р и л о ж е н и я с п о т о к о в ы м т р а ф(stream)и к о м порождают равномерный поток данных, который поступает в сеть с п о с т о я н н о й б и т о в о й с к о р о(Constantс т ь ю Bit Rate, CBR). В случае коммутации пакетов трафик таких приложений представляет собой последова­ тельность пакетов одинакового размера (равного В бит), следующих друг за другом через один итот же интервал времени Т (рис. 7.1).

Постоянная битовая скорость потокового трафика (CBR) может быть вычислена путем усреднения на одном периоде:

CBR - В/Т бит/с.

В общем случае, постоянная битовая скорость потокового трафика меньше номинальной максимальной битовой скорости протокола, с помощью которого передаются данные, так какмежду пакетами существуют паузы. Как будет показано в главе 12, максимальная скорость передачи данных с помощью протокола Ethernet составляет 9,76 Мбит/с (для

□Асинхронные приложения. Практически не имеют ограничений на время задержки (эластичный трафик). Пример такого приложения —электронная почта.

□Интерактивные приложения. Задержки могут быть замечены пользователями, но они не сказываются негативно на функциональности приложений. Пример —текстовый редактор, работающий с удаленным файлом.

□Изохронные приложения. Имеется порог чувствительности к вариациям задержек, при превышении которого резко снижается функциональность приложения. Пример — передача голоса, когда при превышении порога вариации задержек в 100-150 мс резко снижается качество воспроизводимого голоса.

□Сверхчувствительные к задержкам приложения. Задержка доставки данных сводит функциональность приложения к нулю. Пример —приложения, управляющие техни­ ческим объектом в реальном времени. При запаздывании управляющего сигнала на объекте может произойти авария.

Вообще говоря, интерактивность приложения всегда повышает его чувствительность к задержкам. Например, широковещательная рассылка аудиоинформации может выдер­ живатьзначительные задержки передачи пакетов (оставаясь чувствительным к вариациям задержек), а интерактивный телефонный или телевизионный разговор их не терпит, что хорошозаметно при трансляции разговора через спутник. Длительные паузы в разговоре вводят собеседников в заблуждение, часто они теряют терпение и начинают очередную фразу одновременно.

Наряду с приведенной классификацией, тонко дифференцирующей чувствительность приложений к задержкам и их вариациям, существует и более грубое деление приложений по этому же признаку на два класса: асинхронные и синхронные. К асинхронным относят те приложения, которые нечувствительны к задержкам передачи данных в очень широком диапазоне, вплоть до нескольких секунд, а все остальные приложения, на функциональ­ ностькоторых задержки влияют существенно, относят к синхронным приложениям.

Интерактивные приложения могут относиться как к асинхронным (например, текстовый редактор), так и к синхронным (например, видеоконференция).

Чувствительность трафика к потерям и искажениям пакетов

кИ,наконец, последним критерием классификации приложений является их чувствитель­ ность к потерям пакетов. Здесь обычно делят приложения на две группы.

□Приложения, чувствительные к потере данных. Практически все приложения, переда­ ющиеалфавитно-цифровые данные (к которым относятся текстовые документы, коды программ, числовые массивы и т. п.), обладают высокой чувствительностью к потере отдельных, даже небольших, фрагментов данных. Такие потери часто ведут к полному обесцениванию остальной успешно принятой информации. Например, отсутствие хотябыодного байтов коде программы делает ее совершенно неработоспособной. Все традиционные сетевые приложения (файловый сервис, сервис баз данных, электронная почтаи т. д.) относятся к этому типу приложений.

□Приложения, устойчивые к потере данных. К этому типу относятся многие прило­ жения, передающие трафик с информацией об инерционных физических процессах. Устойчивость к потерям объясняется тем, что небольшое количество отсутствующих данныхможно определить на основе принятых. Так, при потере одного пакета, несущего

несколько последовательных замеров голоса, отсутствующие замеры при воспроиз­ ведении голоса могут быть заменены аппроксимацией на основе соседних значений. К такому типу относится большая часть приложений, работающих с мультимедийным трафиком (аудио- и видеоприложения). Однако устойчивость к потерям имеет свои пределы, поэтому процент потерянных пакетов не может быть большим (например, не более 1 %). Можно отметить также, что не любой мультимедийный трафик столь устойчив к потерям данных, так, компрессированный голос и видеоизображение очень чувствительны к потерям, поэтому относятся к первому типу приложений.

Классы приложений

Вообще говоря, между значениями трех характеристик качества обслуживания (относи­ тельная предсказуемость скорости передачи данных; чувствительность трафика к задерж­ кам пакетов; чувствительность трафика к потерям и искажениям пакетов) нет строгой взаимосвязи. То есть приложение с равномерным потоком может быть как асинхронным, так и синхронным, а, например, синхронное приложение может быть как чувствительным, так и нечувствительным к потерям пакетов. Однако практика показывает, что из всего многообразия возможных сочетаний значений этих трех характеристик есть несколько таких, которые охватывают большую часть используемых сегодня приложений.

Например, следующее сочетание характеристик приложения «порождаемый трафик — равномерный поток, приложение изохронное, устойчивое к потерям» соответствует таким популярным приложениям, как ІР-телефония, поддержка видеоконференций, аудиовеща­ ние через Интернет. Устойчивых сочетаний характеристик, описывающих определенный класс приложений, существует не так уж много. Так, при стандартизации технологии ATM, которая изначально разрабатывалась для поддержания различных типов трафика, были определены 4 класса трафика (и соответствующих приложений): Л, Д С и D. Для каждого класса рекомендуется использовать собственный набор характеристик QoS. Кроме того, для всех приложений, не включенных ни в один из этих классов, был определен класс X, в котором сочетание характеристик приложения может быть произвольным.

Классификация ATM, являясь на сегодня наиболее детальной и обобщенной, не требует для своего понимания знания технологии ATM, поэтому мы можем рассмотреть ее уже сейчас (табл. 7.1).

Таблица 7.1. Классы трафика

Класс трафика Характеристики

АПостоянная битовая скорость, чувствительность кзадержкам, передача с установлени­ ем соединения (например, голосовой трафик, трафик телевизионного изображения). Параметры QoS: пиковая скорость передачи данных, задержка, джиттер

ВПеременная битовая скорость, чувствительность кзадержкам, передача с установлениемхоединения (например, компрессированный голос, компрессированное видеоизображение). Параметры QoS: пиковая скорость передачи данных, пульсация, средняя скорость передачи данных, задержка, джиттер

СПеременная битовая скорость, эластичность, передача с установлением соединения (например, трафик компьютерных сетей, в которых конечные узлы работают по протоколам с установлением соединений —frame relay, Х.25, TCP). Параметры QoS: пиковая скорость передачи данных, пульсация, средняя скорость передачи данных